STEAM教学模式在高中电磁现象教学中的应用

刘 哲，裴健成，刘亚楠，陈雯歆，袁 琦，王春亮,

(东北师范大学a.物理学院；b.物理学国家级实验教学示范中心(东北师范大学)，吉林 长春 130024)

近几年，教育改革的大潮席卷而来，物理教育也逐渐重视应用化、实践化和生活化，最新提出的物理学科的核心素养表明：学生在接受物理教育的过程中，需要逐步形成适应个人终身发展和社会发展需要的必备品格和关键能力，要让学生通过物理学习内化为物理感觉. 显然简单的公式记忆和应试教育已不能满足以实验为基础的物理科目学习要求. 如何提高学生动手创造、自主探究能力，怎样让学生更好地理解知识、应用知识，进而通过所学到的知识进行创造，是教育者应该思考的问题.STEAM教学模式就是在这种背景下产生的新兴教育模式.

1 STEAM教学模式

STEM[1]，最早是美国政府提出的教育倡议，为加强美国K12关于科学、技术、工程、艺术以及数学的教育. STEM是Science(科学)、Technology(技术)、Engineering(工程)、Mathematics(数学)的简称，近期加入了Arts，也就是艺术，变得更加全面,形成全新的STEAM教育模式. STEAM教育[2]提倡新的教学方式：给学生一定的材料，设定1个目标，让他们动手制作感兴趣的作品，并且利用与生活息息相关的知识，完成设定的目标，进而从这个过程体验学习的乐趣. 本质上来说，整个过程学生倾听了自己内心的声音，按照自己的思路和想法进行创造，接触到了更真实的生活. 这把学生学习到的零碎知识与机械工程转变成从不同侧面探究世界相互联系的过程，强调学生在“杂乱无章”的学习情境中提升设计能力、合作能力、解决问题能力和实践创新能力.

STEAM教学模式作为一种教学策略，在实际应用时，必须以解决现实中的实际问题为目标，以独立思考为起点，动手实践为核心.

2 STEAM教学应用于电磁教学的实例

高中人教版物理教材选修3-1[3]当中介绍了静电场、恒定电流和磁场，学生学习后对电场和磁场的概念都有了一定了解，接下来对高中人教版物理教材[4]选修3-2电磁感应和交变电流的学习，是继文献[3]之后的更深入学习和应用. 这两册书中的重点和难点是使学生理解“电能生磁、磁能生电”，但书中电生磁的内容基本是围绕电流产生磁场的条件、判断产生磁场方向及判断通电导线和带电粒子在磁场中受力的方向判断和计算其大小展开的；磁生电的内容基本围绕判断变化的磁场产生电流的方向和计算其大小展开，而实际应用部分却很少，与实际生活离之甚远，不能使学生通过具体应用来巩固理论知识，仅有的“电动机”实例构造还较为复杂，无法使学生进行实际操作来感知原理，所以造成了学生学习和理解上的障碍. 而STEAM教学模式具有运用性强、探索性高、感知整合要求高、探索创新性强的特点，所以刚好可以用于解决电磁学基础知识教学后无应用、难理解、整合力不高等问题.

若要将STEAM教学模式应用于电磁教学中，就必须明确如何设计课堂程序才能更好地体现科学、技术、工程、艺术和数学这5个方面的教育作用. 基于设计的学习模式出发，将课堂分为4个步骤，并在江苏省苏州实验中学高二年级进行了具体实践和调查.

1)方向引导. 首先让学生思考电动机在日常生活中的用途，并引导学生若要回答该问题，就要把电动机的功能和现实相联系. 在生产生活中，电动机较为常见，是将电能转化为动能的机器. 由“电动”二字就可以想到电流和转动，紧接着就可以联想到“通电导线在磁场中受力”这节课的内容. 这样的思考后，学生自然就会对电动机有了初步了解. 此时为学生设定本节课目标：制作简易的电动机. (此过程用时3 min)

2)合作设计. 考虑到STEAM教学模式实施时具有一定难度，因此建议以小组协作的方式展开. 为学生提供铜线、5号电池、圆形磁铁、钳子、贴纸等5种材料，让学生先进行初步设计实验方案，思考制作电动机的方法.

让学生进行自主探究，首先解决“能让铜线自己动起来”这个问题. 很多组学生都想到将铜线和电池连接在一起，然后铜线中就产生了电流，学生们也可以感受到因为电流而产生出大量的焦耳热. 之后，要想让通电导线动起来，就要加上磁场的作用. 当学习者有了切实可行的创造方案后，找到教师交流想法，此时教师听到学生的想法后，不做可行性评价，仅做简单的引导并指出其具体错误. (这部分包含了物理科学知识，让学生将安培力加以具体实践应用，此过程用时3 min)

3)实际操作. 让学生进入到具体动手实践环节，要求将设计方案在一定时间内实施. 然而真正动手实践往往与设计有一定的差距，可能会遇到很多意想不到的问题，例如，学生不知道如何将电池、铜线、磁铁进行组合才能使铜线自动转动起来. 这时，设计解决方案就是一个特别重要的环节，一定要告诉学生按照实际情况进行改进，不断地探索新方法. 通过一定的引导，学生想到，将磁铁吸于电池负极上，之后将铜线缠绕，一端接触电池正极，一端接触磁铁(此磁铁为导体，相当于接触电池负极)，这样就将铜线、电池、磁铁构成了一个整体(这个过程涉及到物理动力学知识、工程设计能力、实施技术可行性分析). 经过以上学生自主探究和操作改进，由最先开始铜线无法转动，到最后真的实现了让铜线自主转动起来. (整个过程经历了15 min)

当有1组学生成功设计出作品后，其他组学生都会进行效仿和参考. 此时教师要让大家一起学习和研究铜线转动的原理和设计思路，并思考：设计出来的这个作品是否有需要改进之处.

大家发现：因为铜线与电池正极接触不稳定，转动一定时间后，铜钱就会脱离正极，停止转动. 为此，学生想出将贴纸进行裁剪，围绕在电池正极，形成与类似栅栏的结构. 这样铜线就会在栅栏内运动，不会与正极脱离. (此部分进一步要求学生发挥工程设计能力以及技术操作能力)

在解决了铜线转动稳定性问题的基础上，对实验装置进行了进一步探究，提高铜线的转速.

学生为了提高电动机的转速，就想到增大安培力，又因为F=ILBsinθ(θ为I和B的夹角)，所以学生想出增大电流、增大磁场、减小摩擦力等多种方法.

此时教师可以让学生们按照增大磁场的思路进一步探究磁铁个数与转速的关系. 学生通过测量1 min内铜线转动的圈数，计算出铜线的转速，并成功测量出不同磁铁个数下铜线的转速，绘制其曲线图(如图1所示).

图1 铜线转速与磁铁个数的半定量关系

通过绘出转速随磁铁个数变化曲线后发现，磁铁从6个增加到9个的过程中，随着磁铁的个数增加，转速逐渐增大，可是并不成线性增大. 当计算出第10个磁铁转速时发现转速突然下降. 为了避免偶然性，又重新测量了10个磁铁时的转速，发现转速更小了，学生们认为可能是因为线圈在转动过程中消耗了大量的电能，使电池有了很大的损耗造成的. (此过程锻炼了学生的数学测量、计算能力，同时也锻炼了学生思考实际问题的能力)

有1组学生为了提高转速，减小整个装置的摩擦，设计了这样的电动机装置：缠绕铜线成多层正方形(增大了通电导线在磁场中的长度)，为线圈和电池搭建支架，线圈只有2个点与支架接触，减小了接触面积从而减小了装置的摩擦力，整个装置接上电池后有了电流，将磁铁靠近后，通电线圈疯狂转动了起来.

为了进一步加深作品的艺术性，让其看起来更加美观，让学生再次进行改进和设计.

有1组学生巧妙地将铜线环绕成爱心的形状，之后放到电池上构成回路，在磁场作用下环绕了起来，外形大方且充满创造力. 装置外观得到了改观，艺术性得以体现(如图2所示). (这个过程增添了对学生艺术能力的要求，让其更加有兴趣融入到设计当中，该过程进行了15 min)

图2 心形作品

4)总结反思. 此阶段分为2个方面进行：一方面深入探讨铜线转动的本质原因；另一方面探讨制作过程的收获与经验.

在讨论铜线转动的阶段，学生自主上台发言并绘制示意图，总结出：导线连接了电池的正负极，从而产生电流，在导线下方放置磁铁，使整个装置处于磁场中，电流产生磁场，利用磁场的相互作用产生力的作用，根据左手定则判断安培力的方向，发现两线圈产生力矩相反，刚好使线圈转动起来. (此环节用时4 min)

3 STEAM在电磁教学当中的价值与意义

动、力、温、距、乐、视、时是我们感知这个物质世界最重要的感知觉，运动、受力与施力、温度、距离、音乐、时间贯穿了整个物理的世界[5]，物理源于生活，生活处处有物理，物理有趣的不仅仅是神奇的自然和实验现象，更重要的是它能够揭开物质世界的神秘面纱. 可是由于要面对高考分数的压力，学生们却对物理学科敬而远之，觉得物理学习枯燥乏味、艰苦难行、逻辑要求高，究其原因一定程度上受传统物理教学的影响，本来以实验为主要形式的学科，却变成教师讲学生记，一纸一笔的应试教育. 所以，若想要改变尴尬的现状，并不应该一味责难制度的不完善和学生畏难从易的心理，物理教育者应该重新审视自身的教学，改变乏味陈旧的物理教育方法，寻求探索新的教学途径，让学生对物理有兴趣、有信心，让物理感觉成为学生心中必不可少的元素，成为一生的素养，让学生成为敢于提问的人. STEAM作为一种强调实验创造的教学模式，在物理教学中是回归物理本质教学思想的体现. 其在我国掀起的教育改革浪潮，让我们看到了物理教学的发展模式的多样性.

3.1 潜心理解原理，更要注重实践

“学过”、“学懂”和“学会”是学习的3种不同的境界. 在电磁学学习阶段，学习的有关电生磁、磁生电的相关知识，死记硬背的确能够按照套路进行解题，不过这种知识的应用仅仅是停留在知识的表面，绝大多数学生根本不理解为什么要这样做，有了这样的知识储备，在生活中也不知道有怎样应用，经过时间的流逝，这种表层的记忆也会慢慢消逝，再看到相关的生活现象，也只能胡乱猜测或是惊叹其神奇，此为“学过”. STEAM恰巧解决了这样的尴尬情况，让学生自主探索，灵活应用，将学到的知识内化，经过反复思考、反复应用之后，在以后生活中再遇到相似的问题，可以联想到当初学到的知识，还可能给他人讲解原理，此为“学懂”. 通过STEAM的体验感受激发了这方面的学习兴趣，不断钻研，作为自己人生的研究方向，在此创新，应用于生活，融汇贯通，此为“学会”. 经过本节课程的训练，收到了来自学生很多的课堂回馈，有学生说通过此节课加深了对安培力的理解，有学生说真没想到复杂的电动机竟然通过这么简单的几种生活常见的材料就可以制作出来，甚至有学生说通过本节课爱上了动手制作，以后到大学要学习工科. 因此，STEAM应用于电磁教学当中，承担了巩固的踏板、搭建兴趣的桥梁、探索的基石的作用.

3.2 统筹整合，强调引导

教师在讲解新课时，常举生活中常见的例子进行引课，可是这种引课属于“只有开头，没有结局”. STEAM教学模式能够在让学生们联想生活的同时，结合自己学习到的原理进行思考和应用，虽然学生们制作出来的作品有很多都是现成商品的“山寨版”，可是不要小看这种看似“山寨版”的创作，因为实际的创新过程，必须存在“复制”的过渡阶段，这是摸清原理、巩固知识、发现缺陷问题的绝佳时期，并且此过程很大程度上锻炼了学生“整合跨界能力”，避免了“知识孤立，单项独行”的情况，让学生将自己所积累的知识(无论是课本上学到的，还是生活当中积累的)，尽力应用到作品中. 唯有这样，才能体现“实践出真知”的道理，才可能有更大的创新，突发奇想，是少见的，不易成功的，所以，一点一滴的探索，不断地统筹整合，才能有长足的发展.

在STEAM教学模式下的课堂，教师指导学生实际探索目标的过程中，“教师讲，学生听”的情况也有了很大程度的改变，这时学生成为了“主体”，自己对知识进行回忆和应用，自己进行可行性评价和分析，而教师仅仅需要提出建议，担当“主导”的角色，教师也绝对不能因为学生出现很多问题而中断学生的自主性行为，因为错误的宝贵性和启发性远比成功的作品有价值得多. 与此同时，作为教师，还要不断指出学生美中不足的地方，让其持续思考，不断改进，养成臻于完美的制作理念.

3.3 正视合作探讨的价值，强调反思的意义

课堂讨论、共同合作的学习方式越来越为教育者重视，但在实践过程中却出现很多貌合神离的现象. 现如今课堂上的小组讨论形式多种多样，可是不免形式化泛滥，只因讨论的话题和内容并不能激发学生真正想探讨问题的兴趣. 教师也没有对这种学习方式进行深入地研究和探索，所以不能很好地把握其在课堂中开展的要素及相应的教学方法，学生停留在问题的表面，亦或是佯装出讨论的样子，更有甚者借着讨论之名谈论其他的事情，失去了讨论的价值与意义. STEAM教学模式下，学生因为产生了想与本组成员合作制造出作品的兴趣，所以排除了外部的因素，内化的动力更强，而且在制作过程中，会遇到各种各样的问题，因此大家为了解决同一个问题，会各抒己见，发挥每个人的生活经验，讲理由摆道理，到最终统一意见，进行实施操作. 整个过程实质上在重复这样的过程：发现问题—设计解决方法—利用科学、科技、工程和数学等知识解决问题—在艺术性上对作品进行规范. 在此过程中团队合作显得异常重要，因为不同人从不同角度对问题进行理解，使制作过程更加严谨，更具有可能性与丰富性. 真正引发了学生的思考，调动了学生的积极性. 而在制作出成品后，无论成功还是失败，都要进行反思，反思是在完成一件事情后，对事情的重新思考和评价，是吸取经验和规避雷同问题的很好的途径，最终不仅仅停留在制作出心满意足的作品上，更多的是对问题的思考和生活问题最优化、合理化、真实化的运用，强调的是思考问题的方法. 所以反思，是必不可少的环节.

4 结束语

STEAM教学模式，重实践，要创造。此教学模式在我国刚刚兴起，无论是教学内容还是教学模式都需要不断地探索，在我国有着巨大的发展空间和强大的生命力. 本文将STEAM教学模式具体应用于了“通电导线在磁场中受到的力”一课中，在老师的引导下，学生通过实践创造，成功制造出了造型各异的简易电动机，激发了学生兴趣，培养了学生的综合能力. 望本文能为致力于物理教学的一线教师提供一些教学参考.

[1] 钟柏昌，张丽芳. 美国STEM教育变革中“变革方程”的作用及其启示[J]. 中国电化教育，2014(4):18-86.

[2] 傅骞，刘鹏飞. 从验证到创造——中小学STEM教育应用模式研究[J]. 中国电化教育，2016(4)：71-105.

[3] 人民教育出版社，课程教材研究所，物理课程教材研究开发中心. 普通高中课程标准实验教科书(选修3-1)[M]. 北京：人民教育出版社：1-33,79-99.

[4] 人民教育出版社，课程教材研究所，物理课程教材研究开发中心. 普通高中课程标准实验教科书(选修3-2)[M]. 北京：人民教育出版社：1-26.

[5] 于海波. 返璞归真:让物理感觉成为教学的内在追求[J]. 天津师范大学学报 (基础教育版),2011,12(4):42-45.